插座式定时开关的校准与不确定度分析

关瑞欣，党菠静

工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 511300

0 引言

定时开关是一个以单片微处理器为核心配合电子电路等组成的一个电源开关控制装置，能设置分钟、小时、天等时间间隔，且可以分时段控制电器的通断。时间设定可以从一秒到几十小时，一般可分成20组以上且有多路控制功能，适用于各种工业电器和自动控制电路。定时开关通常由计时电路、时基电路、计时显示、驱动电路等组成，在许多自动控制系统中需要使用定时开关来实现电器通断的控制，其在电气控制系统中起到了非常重要的作用。因此对定时开关设定时间的校准，在确保电气控制系统精确稳定的运行中有着重要的意义[1-3]。对于一般具有常开、常闭触点或有控制信号输出的定时器或继电器可根据JJF1282-2011《电子式时间继电器校准规范》中的方法对其定时时间进行准确测量。由于插座式定时开关主要用于直接控制电器或电源电路，其结构只保留了三孔或两孔电器插孔，这种设计虽然可以令其使用方式更为简易，但这种简单的结构也给校准和测试带来了困难。由于其无控制信号输出以及裸露的常开或常闭触点，所以无法直接采用上述校准规范中的方式进行校准。定时开关的输出为频率为50Hz，电压为220V或110V的交流信号，一般的测试设备都无法直接接入，所以目前一般采用人工秒表计时的方式来对其进行测量，但人工计时测量精度很低，不确定度较大，且无法进行较长时间的测量。因此，本文提出一种利用直流电源代替控制信号输出的方式来对该类定时开关进行测量，并对这种方法的测量不确定度进行分析[4]。

1 测量原理及方法

直流电源替代法的主要目的是通过直流电源将定时开关输出的高电压交流信号转换为低电压直流信号，以转换后的直流信号作为控制信号来触发时间测量仪器。具体方法为将直流电源接入定时开关，在定时开关接通的同时，直流源启动；当继电开关关闭时，直流源停止工作，通过测量直流源输出信号的时间来间接测量定时开关的通电时间。然而实际测量时直流电源并不是理想的，电源从通电后到输出的电压达到所设置的电压值时具有一定时间延迟，如图1所示。同理，当电源关闭时从所设定电压值降为0时也具有时间延迟。在间接测量继电开关时，需要考虑电源通电和断电时间延迟对其造成的影响[5-7]。特别是对于时间较短的测量，电源通电和断电时间延迟直接影响了测量结果的精确性。直流电源通电和断电的时间延迟与设置电压大小的关系如图1所示。

图1 直流电源通断电时间延迟

由图1可以看出，直流电源通电延迟时间与设置电压的大小成正比关系。电压设置得越高，则通电和断电的时间延迟越长，因此为了使直流电源通断电的时间延迟对测试结果影响尽可能小，则需设置较小的输出电压。但考虑到测量时间的仪器都具有触发灵敏度，即时间测量仪器需要输入信号达到一定的阈值，才能正常工作，所以直流电源电压设置不能过小，至少需高于测量仪器的电压触发灵敏度[8]。此外，在触发电压设置得较低时，毛刺信号对测量结果的影响会表现得十分明显，如果将时间测量仪器的触发阈值电压调节得很低，测量仪器就会被偶发的毛刺信号触发，导致测量结果不准确。尤其在长时间测量时，毛刺信号出现的概率更高，更容易导致测量仪器被提前触发，影响测试结果。所以在实际测试时不仅需要根据具体情况选择合适的触发电压，还需要在测量端加入监视设备，用来实时观测信号的具体情况，避免测试时的意外情况。一般可在测量端选用高精度的数字万用表或示波器作为监视设备。依照上述原理设计一套直流源替代法测量插座式定时开关的测试系统[9]。

直流源替代法测试系统由示波器、数字毫秒仪以及带有通电自动输出功能的可调直流电源组成，仪器连接示意如图2所示。

图2 直流源替代法测试系统

其中，示波器的作用是测量直流电源通电和断电的时间延迟，同时作为监视设备，监视其输出电压的大小，以便调节合适的触发阈值电压。在测量时使用示波器的上升时间和下降时间的功能来测量直流电源的通电和断电的时间延迟，使用平均功能来测量直流电源输出电压。数字毫秒仪作为时间测量设备，将其设置为正脉冲宽度测量功能，测量直流电源输出的时间。测试系统的工作步骤如下：首先将定时开关设置为持续开启，启动定时开关后开启直流电源和其他测试设备，调节直流电源输出电压并通过示波器进行观测，使其输出的电压能够稳定触发数字毫秒仪，并且在示波器上看不到毛刺信号和杂波干扰[10]。完成上述准备工作后将数字毫秒仪复位，将示波器设置为单次测量上升时间和下降时间功能后开始测量，并根据需要校准的时间间隔来设置定时开关的开启和关闭时刻，然后按下定时开关启动键，定时开关开始工作，到达开启时间后，定时开关接通，直流电源启动，同时数字毫秒仪开始计时，示波器被触发后显示上升时间，记录上升时间后将其复位；当到达停止时间时，定时开关断开，直流电源关闭，同时数字毫秒仪停止计时，示波器显示下降时间，记录数字毫秒仪的示数和示波器显示的下降时间。测量结束后由公式（1）计算继电开关的时间。

其中，T为继电开关设置时间的测量值，为毫秒仪的测量结果，为示波器测得的直流电源通电时间，为示波器测得的直流电源断电时间。

2 测量结果与不确定度分析

根据上述方法，采用泰克MDO3052型示波器、固纬GDS-型直流电源、大华KS-02型继电开关以及411D型毫秒仪进行测试。

由示波器引入的不确定度主要来源于两个方面，即示波器自身建立时间引入的不确定度及各种随机因素引入的不确定度。

示波器的自身建立时间一般为纳秒级，而直流电源通断电的时间一般为微秒级或毫秒级，示波器自身建立时间对其影响很小，故其引入的不确定度可忽略不计[11]。

表1 示波器测量标准脉冲上升时间测量数据

系统不稳定引入的不确定度符合正态分布，采用A类不确定度评定方式。使用数字毫秒仪测量标准定时器设置时间60s，测量10次后的结果见表2。

表2 数字毫秒仪测量标准定时器60s测量数据

以上三个标准不确定度互不相关，所以采用公式2计算合成标准不确定度。

取包含因子k=2，则相对扩展不确定度U=2u(T)=6.2×10－6。

为证明该方法可以显著提高测试精度，设计一组对照实验，用同一定时开关设置时间为1h，用秒表测量10次，按照A类不确定度评定方式计算其不确定度。测量数据见表3。

表3 秒表测量定时开关1h

取包含因子k=2，则相对扩展不确定度U=2u(T)－8.2×10－5。

由表中数据可知，人工秒表测量1h的不确定度为2.04s，而采用直流源替代法测量的不确定度为36008.2×10－5=0.29s。由此可见，采用直流源替代法测量可以显著减小测量不确定度。按照JJF1094-2002《测量仪器特性评定》中的规定，对测量仪器特性进行符合性评定时，评定示值误差的不确定度（取k=2时的U值）与被评定测量仪器的最大允许误差的绝对值（MPEV）之间要满足如下关系：

3 结语

由测量结果与不确定度分析结果可以得出结论：采用直流电源间接测量插座式定时开关的方法不确定度远小于采用人工秒表计进行测量时，极大地提升了测量准确度，也可以满足精度较高的定时开关示值误差评定。同时，在直流电源间接测量法的定时开关计时结束后，仪器可自行停止计时，无需人工干预，解决了人工计时难以进行长时间测量的问题，对于插座式定时开关的校准有着重要的意义。